可持续地为世界提供能源-用更少的能源合成氨

时间:2020-04-27 22:14 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

可持续地为世界提供能源-用更少的能源合成氨

东京理工学院的科学家们已经开发出一种改进的催化剂,使用常见的脱水剂氢氧化钙,并在其中添加氟化物。这种催化剂只需要现有技术所需能量的一半,就能在50°C的温度下促进氨的合成。这为低能耗和减少温室气体排放的氨生产打开了大门。

氨是制造植物肥料的关键,而植物肥料反过来又养活了世界上大约70%的人口。在工业上,氨是通过Haber-Bosch工艺生产的,其中甲烷首先与蒸汽反应产生氢气,然后氢气与氮气反应产生氨。这个过程的问题是,随着温度的升高,产量会降低。为了继续获得良好的产率,需要增加反应室的压力。这需要很多能量。此外,用于反应的铁基催化剂只有在350℃以上才有效。维持如此高的温度也需要大量的能量。最重要的是,收益率只有30-40%。

化石燃料目前被用来驱动这一过程,向大气中排放了大量的二氧化碳。可再生资源替代品,如风能,已经得到应用,但那些还没有被证明是可持续的。为了提高产量,同时减少对环境的危害,因此,反应必须在低温下进行。为了使反应发生,需要使反应在低温下进行的催化剂。

可持续地为世界提供能源-用更少的能源合成氨

迄今为止,科学家们还没有找到这样的催化剂。“传统的催化剂在100-200°C时失去了从N2和H2气体中生成氨的催化活性,即使它们在高温下表现出很高的催化性能,”来自日本东京理工学院的一组科学家评论道,他们似乎最终解决了催化剂的问题。由原道津博士领导的科学家们开发了一种即使在50°C也有效的催化剂。“我们的催化剂在50°C从N2和H2气体中产生氨,活化能非常小,只有20 kJmol-1,比传统催化剂的一半还少,”Hara博士和他的同事在他们发表在《自然通讯》杂志上的论文中说。

他们的催化剂包括CaFH的固溶体,其表面沉积有钌(Ru)纳米颗粒。氟化物(F-)加入氢氧化钙(CaH2),一种常见的脱水剂,是使催化剂在较低的温度和压力下有效的原因。经过光谱分析和计算分析,科学家们提出了催化剂促进氨生产的可能机制。

氟化钙(Ca-F)键强于钙-氢(Ca-H)键。所以,Ca-F键的存在削弱了Ca-H键,Ru能够从催化剂晶体中提取出H原子,留下电子。氢原子然后从Ru纳米颗粒中释放出氢气。即使在50°C时也会发生这种情况。被捕获的电子与晶体中的F离子之间的电荷斥力降低了这些电子释放的能量屏障,从而使材料具有较高的供电子能力。这些释放的电子攻击氮气中氮原子间的键,促进了氨的生成。

这种生产氨的新方法降低了能源需求,从而减少了大量使用化石燃料所排放的二氧化碳。这项研究的结果阐明了环境可持续的Haber-Bosch过程的可能性,为下一次农业粮食生产革命打开了大门。

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